Significance Noninvasive brain imaging holds great promise for expanding our capabilities of treating human neurologic and psychiatric disorders. However, key limitations exist in human-only studies, and the ability to use animal models would greatly advance our understanding of human brain function. Mice offer sophisticated genetic and molecular methodology, but correlating these data to functional brain imaging in the mouse brain has remained a major hurdle. This study is the first, to our knowledge, to use whole-brain functional imaging to show large-scale functional architecture with structural correlates in the mouse. Perhaps more important is the finding of conservation in brain topology and default network among rodents and primates, thereby clearing the way for a bridge measurement between human and mouse models.

Summary Despite a prominent risk factor for Neurodevelopmental disorders (NDD), it remains unclear how Autism Susceptibility Candidate 2 ( AUTS2 ) controls the neurodevelopmental program. Our studies investigated the role of AUTS2 in neuronal differentiation and discovered that AUTS2, together with WDR68 and SKI, forms a novel protein complex (AWS) specifically in neuronal progenitors and promotes neuronal differentiation through inhibiting BMP signaling. Genomic and biochemical analyses demonstrated that the AWS complex achieves this effect by recruiting the CUL4 E3 ubiquitin ligase complex to mediate poly-ubiquitination and subsequent proteasomal degradation of phosphorylated SMAD1/5/9. Furthermore, using primary cortical neurons, we observed aberrant BMP signaling and dysregulated expression of neuronal genes upon manipulating the AWS complex, indicating that the AWS-CUL4-BMP axis plays a role in regulating neuronal lineage specification in vivo . Thus, our findings uncover a sophisticated cellular signaling network mobilized by a prominent NDD risk factor, presenting multiple potential therapeutic targets for NDD.

Abstract The lysine-to-methionine mutation at residue 27 of histone H3 (H3K27M) is a driving mutation in Diffuse Intrinsic Pontine Glioma (DIPG), a highly aggressive form of pediatric brain tumor with no effective treatment and little chance of survival. H3K27M reshapes the epigenome through a global inhibition of PRC2 catalytic activity, the placement of methylation at lysine 27 of histone H3 (H3K27me2/3), promoting oncogenesis of DIPG. As a consequence, a histone modification H3K36me2, antagonistic to H3K27me2/3, is aberrantly elevated. Here, we investigate the role of H3K36me2 in H3K27M-DIPG by tackling its upstream catalyzing enzymes (writers) and downstream binding factors (readers). We determine that NSD1 and NSD2 are the key writers for H3K36me2. Loss of NSD1/2 in H3K27M-DIPG impedes cellular proliferation in vitro and tumorigenesis in vivo, and disrupts tumor-promoting gene expression programs. Further, we demonstrate that LEDGF and HDGF2 are the main readers that mediate the pro-tumorigenic effects downstream of NSD1/2-H3K36me2. Treatment with a chemically modified peptide mimicking endogenous H3K36me2 dislodges LEDGF/HDGF2 from chromatin and specifically inhibits the proliferation of H3K27M-DIPG. Together, our results indicate a functional pathway of NSD1/2-H3K36me2-LEDGF/HDGF2 as an acquired dependency in H3K27M-DIPG and suggest a possibility to target this pathway for therapeutic interventions.

A methionine substitution at lysine 27 on histone H3 variants (H3K27M) characterizes ~80% of diffuse intrinsic pontine gliomas (DIPG) and inhibits PRC2 in a dominant negative fashion. Yet, the mechanisms for this inhibition and abnormal epigenomic landscape have not been resolved. Using quantitative proteomics, we discovered that robust PRC2 inhibition requires levels of H3K27M greatly exceeding those of PRC2, seen in DIPG. While PRC2 inhibition requires interaction with H3K27M, we found this interaction on chromatin is transient with PRC2 largely being released from H3K27M. Unexpectedly, inhibition persisted even after PRC2 dissociated from H3K27M-chromatin suggesting a lasting impact on PRC2. Furthermore, allosterically activated PRC2 is particularly sensitive to K27M leading to a failure to spread H3K27me3 at distinct foci. In turn, levels of Polycomb antagonists such as H3K36me2 are elevated suggesting a more global, downstream effect on the epigenome. Together, these findings reveal the conditions required for H3K27M-mediated PRC2 inhibition and reconcile seemingly paradoxical effects of H3K27M on PRC2 recruitment and activity.

FACT (facilitates chromatin transcription) is a protein complex that allows RNAPII to overcome the nucleosome-induced barrier to transcription. While abundant in undifferentiated cells and many cancers, FACT is not abundant or is absent in most tissues. Therefore, we screened for additional proteins that might replace FACT upon differentiation. Here we report the identification of two such proteins, LEDGF and HDGF2, each containing two HMGA-like AT-hooks and a PWWP methyl-lysine reading domain known to bind to H3K36me2 and H3K36me3. LEDGF and HDGF2 localize with H3K36me2/3 at genomic regions containing active genes, usually adjacent to H3K27me3 domains. In myoblasts, where FACT expression is low, LEDGF and HDGF2 are enriched on most active genes. Upon differentiation to myotubes, LEDGF levels decrease across the genome while HDGF2 levels are maintained. Moreover, HDGF2 is recruited to the majority of myotube up-regulated genes and is required for their proper expression. HDGF2 knockout myoblasts exhibit an accumulation of paused RNAPII proximal to the first nucleosome within the transcribed region of many HDGF2 target genes, indicating a defect in early elongation. We propose that LEDGF and HDGF2 substitute for FACT in differentiated tissues and that their distribution on the genome helps maintain transcriptional programs unique to particular cell types.

The catalytic activity of PRC2 is central to maintain transcriptional repression by H3K27me3-decorated facultative heterochromatin in mammalian cells. To date, multiple factors have been reported to regulate PRC2 activity. Here, we demonstrate that PRC2 methylates itself on EZH1/2 and SUZ12 subunits, with EZH1/2-K514 being the major automethylation site in cells. The functional studies of automethylation on EZH2 indicate automethylation as a self-activating mechanism for PRC2 in the absence of stimulatory cofactors like AEBP2. Together, our study reveals PRC2 automethylation as a novel regulatory mechanism of PRC2 activity on chromatin.